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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Spulenanordnung bzw. ein induktives
Bauteil in Form eines Balun für die Kernspintomographie,
insbesondere auf medizinische Geräte zur Untersuchung von menschlichen
und tierischen Körpern.
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Stand der Technik
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Die
Kernspintomographie ist ein bildgebendes Verfahren, welches auf
dem physikalischen Phänomen der Kernspinresonanz basiert.
Die Kernspintomographie wird auch als Magnetresonanztomographie,
abgekürzt MRT, bezeichnet. Das zu untersuchende Objekt
wird einem starken Magnetfeld ausgesetzt. Durch dieses richten sich
die Kernspins der einzelnen Atome, welche zuvor statistisch verteilt
waren aus. Durch eine äußere Anregung mit hochfrequenter
Energie wird eine messbare Schwingung angeregt. Um nun eine räumliche
Lokalisierung zu ermöglichen, werden in dem Magnetfeld
durch Gradientenspulen in den drei Raumachsen Magnetfelder erzeugt.
Zur Aussendung der hochfrequenten Anregungsenergie sind Sendespulen
vorgesehen. Der Empfang der angeregten Schwingungen erfolgt durch
Empfangsspulen. Vielfach sind auch Sendespulen und Empfangsspulen
miteinander kombiniert. Diese verschiedenen Typen von Spulen werden
nachfolgend auch als HF-Spulen bezeichnet, da sie zur Einkopplung
bzw. Auskopplung der hochfrequenten Signale dienen.
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Durch
das nichtinvasive bildgebende Verfahren der MRT können
Schnittbilder in beliebigen Achsen durch den menschlichen oder tierischen
Körper aufgenommen werden.
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Zur
Ankopplung der HF-Spulen an die Auswerteschaltung des Kernspintomographen
sind verschiedene Schaltungen bekannt. Diese werden häufig
aufgrund ihrer Funktion auch als Balun bezeichnet. Die Aufgabe dieser
Schaltungen besteht meistens darin, eine symmetrische HF-Spule an
eine unsymmetrische Leitung anzupassen und dabei Mantelströme
bei der Resonanzfrequenz der Vorrichtung zu unterdrücken.
Eine solche Schaltung ist beispielsweise in dem
US-Patent 5,371,466 offenbart. Das Prinzipschaltbild
ist in
2A dargestellt. Eine aus einem
Koaxialkabel aufgebaute Spule
60 sorgt für die Anpassung
der symmetrischen Spule
24 an den unsymmetrischen HF-Empfänger.
Weiterhin ist parallel zu dieser Spule ein Kondensator
62 geschaltet,
der mit der Spule selbst einen Resonanzkreis bildet, welcher auf
die Resonanzfrequenz der HF-Spule
24 abgestimmt ist. Dadurch
wird erreicht, dass ein von der Spule
24 empfangenes Signal
ausschließlich als Differenzsignal über das koaxiale
Kabel übertragen werden kann. Ein Mantelstrom, der sich
vorzugsweise im Schirm des koaxialen Kabels zum Empfänger hin
ausbreitet, wird durch den Resonanzkreis aus der Spule
60 und
der Kapazität
62 unterdrückt. Die technische
Ausführung einer solchen Vorrichtung ist beispielsweise
in
5A der
US 5,371,466 dargestellt. Eine mit
Koaxialkabel aufgebaute Spule
102 ist zwischen Eingang
und Ausgang der Anordnung geschaltet. Parallel zur Spule befindet
sich auf der Unterseite der Anordnung, wie in
5B darges tellt,
einerseits ein fester Kondensator
106 zusammen mit einem
parallelen Trimmkondensator
104 zum Feinabgleich der Resonanzfrequenz
des Schwingkreises. Nachteilig an dieser Anordnung ist der hohe
Platzbedarf sowie der schwierige Abgleich, welcher in groben Stufen
zunächst durch Einsetzen eines geeigneten Kondensators
106 und
dann als Feinabgleich durch Drehen an einem Trimmkondensator
104 erfolgt.
Weiterhin ist bekannt, dass sich derartige Trimmkondensatoren im
Laufe der Zeit verstellen. Entsprechend muss hier ein Verdrehen
des Kondensators beispielsweise mit Schraubensicherungslack verhindert
werden.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Schaltungsanordnung vorzustellen, welche
unter Beibehaltung bzw. Verbesserung der elektrischen Eigenschaften
eine Vereinfachung des mechanischen Aufbaus, eine Reduzierung der
Größe und auch der Herstellkosten, sowie eine
Vereinfachung des Abgleichs erlaubt.
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Beschreibung der Erfindung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Spulenanordnung entsprechend
dem Oberbegriff des Patenanspruchs 1 dahingehend weiterzubilden,
dass dieses kleiner und kostengünstiger herstellbar ist
und auch einen einfacheren Abgleich ermöglicht.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe
ist in den unabhängigen Patentansprüchen angegeben.
Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung umfasst eine in ihrer Länge und somit in ihrer
Induktivität veränderbare Spule 10. Die
Veränderung der Induktivität erfolgt durch gezieltes
Stauchen oder Strecken der Spule mittels eines mechanischen Verstellelements,
beispielsweise einer Stellschraube 32. Durch eine solche
Anpassung der Geometrie der Spule und entsprechende Veränderung
der Induktivität ist ein einfacher Abgleich auf die Resonanzfrequenz
des Resonanzkreises aus der Spule 13 und der parallel hierzu
geschalteten Kapazität 16 möglich. Um
eine möglichst hohe Unterdrückung von Mantelströmen
zu erreichen, ist es wichtig, dass der Parallelresonanzkreis aus
der Spule 13 und der Parallelkapazität 16 eine
hohe Güte aufweist. Dadurch ist allerdings auch ein besonders
genauer Abgleich der Resonanzfrequenz notwendig. Die aus dem Stand
der Technik bekannten Spulen weisen bereits aufgrund mechanischer
Toleranzen in der Fertigung erhebliche Induktivitätsstreuungen
auf. Eine wesentliche Verbesserung kann hier erreicht werden, indem
die Spule in eine entsprechende Halterung eingebaut wird. So kann
sie während der Montage nicht unbeabsichtigt in ihrer Geometrie
verändert werden. Durch die hier bereits exakt festgelegte
Induktivität kann bereits beim Abgleich der Resonanzfrequenz
das Einmessen der entsprechenden Kapazitäten häufig
entfallen. So können meistens eng tolerierte Kapazitäten
mit vorher berechneten Werten zur Spule parallel geschaltet werden.
Um nun beim Feinabgleich auf einen Trimmkondensator, das heißt einen
einstellbaren Kondensator verzichten zu können, wird die
Spule in ihrer Induktivität justiert. Da die Spule im inneren
Magnetfeld von Kern spintomographen eingesetzt wird, darf diese keine
ferromagnetischen Materialien enthalten. Ein Abgleich durch Verändern
eines in die Spule eingeführten Kerns ist somit nicht möglich.
Erfindungsgemäß erfolgt der Abgleich durch die
Verformung der Spule. Hierzu wird sie insbesondere in ihrer Länge
verändert. In einem typischen Anwendungsfall kann durch
den Einsatz eng tolerierter Kondensatoren 16, die typischerweise noch
eine Toleranz von 1% aufweisen, durch eine Verstellung der Induktivität
in einer ähnlichen Größenordnung, nämlich
ca. 1%, ein vollständiger Abgleich erfolgen. Hierzu ist
in erster Näherung auch nur eine Längenänderung
in der Größenordnung von 1% notwendig. Eine solche
Längenänderung kann mit fest auf Leiterplatten
eingebauten Bauteilen realisiert werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist eine
Halterung der Spule vorgesehen, welche einen ersten Befestigungsblock 30 sowie
einen zweiten Befestigungsblock 31 aufweist. Der erste
Befestigungsblock fixiert einen Teil der Spule, indem er bevorzugt
eine erste Windung hält, während der zweite Befestigungsblock
einen weiteren Teil der Spule fixiert, indem er bevorzugt eine weitere
Windung hält, so daß mindestens eine nicht fixierte
Windung zwischen dem ersten Befestigungsblock und dem zweiten Befestigungsblock
liegt. Vorteilhafterweise liegen mehrere nicht fixierte Windungen
zwischen den beiden Befestigungsblöcken. Eine Justage der
Induktivität erfolgt durch Veränderung des Abstandes
zwischen den Befestigungsblöcken. Werden die Befestigungsblöcke 30 und 31 einander angenähert,
so wird die Spule gestaucht, während bei einer Vergrößerung
des Abstandes der Befestigungsblöcke die Spule gestreckt
wird. Entsprechend verändert sich der Abstand der Windungen
bzw. die gesamte Länge der Spule. Beim Stauchen der Spule erhöht
sich deren Induktivität, während sie beim Strecken
verringert wird. Als Verstellelement wird vorzugweise eine Schraube
vorgesehen, mit der der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten
Befestigungsblock verstellt werden kann. Für den Einsatz in
Kernspintomographen muss diese Schraube aus einem nicht ferromagnetischen
Material sein. Hier bietet sich insbesondere eine Kunststoffschraube, besonders
bevorzugt eine Schraube umfassend einen glasfaserverstärkten
Kunststoff an, um eine hohe Stabilität und Langzeitkonstanz
des eingestellten Wertes zu erreichen.
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Um
eine hohe Langzeitstabilität der Anordnung zu erreichen,
wird die Koaxialleitung 20 vorzugweise als semi-rigid line
ausgeführt. Selbstverständlich kann auch ein konventionelles
Koaxialkabel verwendet werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die
einzelnen Windungen der Koaxialleitung 20 unter einem reduzierten
Kippwinkel 25 ausgeführt. Typischerweise ist der
Winkel, um den eine Windung einer Spule gegenüber der Mittelachse der
Spule geneigt ist, hier Kippwinkel genannt, durch die Dicke der
Leitung, aus welcher die Spule gebildet wird, bestimmt, sofern zwischen
benachbarten Windungen kein Abstand besteht. Entsprechend der bevorzugten
Ausführungsform kann nun der Kippwinkel der Windungen gegenüber
der Mittelachse der Spule weiter reduziert werden, so dass sich
eine schräge Wicklung ergibt. Weiterhin kann entsprechend
einer bevorzugten Ausführungsform eine Justage des Kippwinkels
zur Feinjustage der Induktivität herangezogen werden. Hierbei
kann dann die Länge der Spule unverändert bleiben.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind
seitlich der Spule Halteelemente angebracht, welche zur Justage
der Induktivität zusammengedrückt werden, so dass
sich der Kippwinkel der einzelnen Windungen verändert.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Wicklung in eine
zumindest geringfügig elastische Masse, wie beispielsweise
Silikonkautschuk eingebettet. Weiterhin ist ein Mittel zum Stauchen
bzw. Strecken der Masse, beispielsweise eine Schraube vorgesehen.
Besonders günstig ist es, wenn an zumindest einer Stelle
der Masse ein Gewindeelement zum Eingriff der Schraube vorgesehen ist.
Weiterhin ist es günstig, wenn ein weiteres zusätzliches
steifes Element vorgesehen ist, an dem der Kopf der Schraube anliegt.
Dies kann aber auch eine Windung der Koaxialleitung 20 sein.
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Beschreibung der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen
Erfindungsgedankens anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen exemplarisch beschrieben.
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1 zeigt
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
induktiven Bauteils.
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2 zeigt
ein Schaltbild eines Anwendungsfalls einer induktiven Spulenanordnung
entsprechend der Erfindung.
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3 zeigt
ein Schaltbild eines weiteren Anwendungsfalles einer induktiven
Spulenanordnung entsprechend der Erfindung.
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4 zeigt
ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil in einem
Schirmbecher.
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5 zeigt
erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit reduziertem
Kippwinkel der Wicklung.
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6 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil.
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7 zeigt
ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Schirmung.
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8 zeigt
schematisch einen Kernspintomographen.
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1 zeigt
eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Induktiven Bauteils. Die Induktivität selbst wird gebildet
durch eine Wicklung aus einer Koaxialleitung 20, welche
im vorliegenden Beispiel eine semi-rigid line ist. Durch die Bewicklung
mit einer Koaxialleitung mit einem Innenleiter und einem Außenleiter
ergibt sich ein Balun, dessen Eingangsanschlüsse 22 auf
der ersten Seite der Leitung und dessen Ausgangsanschlüsse 23 an
der zweiten Seite der Leitung angeordnet sind. Die Anschlüsse 22 und 23 bestehen
jeweils aus zwei individuellen Anschlüssen, wobei ein erster
Anschluss den Außenleiter und ein zweiter Anschluss den
Innenleiter der Koaxialleitung kontaktiert. Zur mechanischen Aufnahme der
Koaxialleitung 20 sind ein erster Befestigungsblock 30 sowie
ein zweiter Befestigungsblock 31 vorgesehen. Der erste
Befestigungsblock 30 fixiert die Wicklung aus der Koaxialleitung
an der Eingangsseite des Baluns, während der zweite Befestigungsblock 31 die
Wicklung an der Ausgangsseite fixiert. Im einfachsten Falle sind
die dazwischen liegenden Windungen der Koaxialleitung 20 ausschließlich durch
die eigene Steifigkeit der Leitung gehalten. In einer weiteren günstigen
Ausführungsform ist noch ein Kern, vorzugweise aus einem
Kunststoffmaterial zur radialen Fixierung der Wicklung vorgesehen.
Alternativ kann auch die Wicklung in einem elastischen Material,
wie beispielsweise Silikonkautschuk eingebettet sein. Der Kunststoff
kann wahlweise aus einem festen Kunststoff, über den die
Windungen der Wicklung gleiten können, oder auch aus einem
elastischen Material bestehen, welches sich mit der Wicklung verformt.
Zum Feinabgleich der Induktivität wird eine Stellschraube 32 vorgesehen,
welche den Abstand zwischen dem ersten Befestigungsblock 30 und
dem zweiten Befestigungsblock 31 geringfügig verändert.
Bei einer typischen Spulenlänge von 10 mm reicht zur Justage
im praktischen Fall eine Längenänderung von kleiner
1 mm aus. Um die Montage zu vereinfachen und die Stabilität
der Anordnung zu erhöhen, ist zwischen dem ersten Befestigungsblock 30 und
dem zweiten Befestigungsblock 31 noch ein Verbindungsstück 33 vorgesehen.
Dieses sorgt dafür, dass beim Feinabgleich der Spule keine
Kräfte auf die elektrischen Anschlüsse am Eingang 22 und Ausgang 23 des
Balun wirken. So ist der untere Bereich der Anordnung durch den
Verbindungssteg versteift. Bei einer Drehung der Stellschraube 32 wird nur
der obere Bereich um die Schraube des ersten und zweiten Befestigungsblocks
geringfügig voneinander entfernt und somit leicht verkippt.
Die Anschlüsse der Spule können wahlweise mit
Stiften für Bohrungen in Leiterplatten oder aber auch als SMD-Anschlüsse
für eine Oberflächenmontage ausgeführt
sein.
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2 zeigt
ein Schaltbild eines Anwendungsfalles einer induktiven Spulenanordnung
entsprechend der Erfindung. Eine Spule 10 (Feldspule) ist
hier nur vereinfacht dargestellt. Typischerweise sind im Verlauf
der Spule eine Reihe von Serienkapazitäten integriert.
Diese Spule ist durch eine Kapazität 11 zu einem
Resonanzkreis ergänzt. Das Signal von der Spule wird nun
mittels einer ersten Leitung 12 abgeleitet. Diese erste
Leitung 12 ist hier als koaxiale Leitung dargestellt, sie
kann aber auch jede andere Art einer Leitung, beispielsweise eine
symmetrische Leitung sein. Am Ende dieser Leitung 12 befindet sich
nun ein Balun 13 mit den Anschlüssen 22 und 23 als
diskretes Bauteil, wie beispielsweise in 1 dargestellt.
Parallel zu diesem Balun ist eine Parallelkapazität 16 geschaltet.
Diese ist typischerweise ein eng toleriertes SMD-Bauteil, welches
auf derselben Leiterplatte wie der Balun parallel zu diesem gelötet ist.
An den Ausgangsanschlüssen 23 des Balun ist eine
weitere Leitung 14, vorzugweise nun eine koaxiale Leitung
zur Weiterleitung der Signale an einen Verstärker 15 vorgesehen.
Dieser Verstärker verstärkt die Signale von der
Spule 10 und leitet sie an die Auswerteschaltung des Kernspintomographen weiter.
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In 3 ist
eine weitere Variante der Schaltung aus 2 dargestellt.
Hierbei sind die Positionen des Verstärkers 15 und
des Balun 13 zusammen mit dem Kondensator 16 vertauscht.
Es wird also zunächst das über die Leitung 12 von
der Spule 10 zugeführte Signal mittels des Verstärkers 15 verstärkt und
dann über den Balun 13 mit Parallelkapazität 16 an
die Auswerteschaltung des Kernspintomographen weitergeleitet. Grundsätzlich
ist es möglich, mehrere Baluns 13 mit oder ohne
paralleler Kapazität 16 im Laufe des Leitungszuges
zwischen der Spule 10 und der Auswerteelektronik des Kernspintomographen anzuordnen.
Dies ist insbesondere notwendig, wenn eine große Leitungslänge
vorhanden ist. Weiterhin kann durch das Zwischenschalten mehrerer
Baluns die Unterdrückung der hochfrequenten Mantelströme im
Außenleiter der Koaxialleitung weiter verbessert werden.
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4 zeigt
ein erfindungsgemäßes Bauteil in einem Schirmgehäuse.
Um die Streufelder der Spule des Baluns möglichst gering
zu halten, kann dieser bevorzugt in einem Schirmgehäuse 21 integriert
werden. Die Leitung 20 ist hier nur an den Kontaktstellen 24 mit
dem Schirmgehäuse 21 verbunden. Dies ist vorzugweise
auf der Seite des Ausgangs des Balun der Fall. Auf der anderen Seite
ist die Leitung 20 des Balun von dem Schirmgehäuse
getrennt.
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In 5 ist
die Spule eines erfindungsgemäßen induktiven Bauteils
mit reduziertem Kippwinkel der Wicklung dargestellt. Hierbei ist
der Kippwinkel 25 gegeben durch die Mittelachse einer Windung
gegenüber der Mittelachse der Spule im Vergleich zu einer
normal gewickelten Spule reduziert. Dies ergibt insbesondere eine
flachere Bauform der Spule.
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6 zeigt
schematisch ein erfindungsgemäßes Bauteil im Prinzip.
Es sind hier besonders deutlich die Befestigungsblöcke 30 und 31 sowie
die im Bereich der Befestigungsblöcke fixierte Wicklung aus
der Koaxialleitung 20 zu erkennen. Durch die Stellschraube 32 kann
nun der Abstand zwischen den Befestigungsblöcken 30 und 31 zum
Abgleich der Induktivität variiert werden.
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7 zeigt
ein erfindungsgemäßes induktives Bauteil mit Schirmung.
Hierbei ist um die Wicklung noch ein zusätzliches Schirmgehäuse
vorgesehen. Dieses Schirmgehäuse kann sich auch in axialer Richtung
der Anordnung weiter erstrecken als im vorliegenden Fall dargestellt.
Vorteilhafterweise wird das Schirmgehäuse mit einer Schaltungsmasse,
besonders vorteilhaft mit einer Massefläche verbunden.
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8 zeigt
in allgemeiner Form schematisch eine Vorrichtung zur Kernspintomographie.
Der Patient 502 liegt auf einer Liege 500 im Magnetsystem 501.
An Stelle eines Patienten können auch Tiere oder beliebige
Gegenstände untersucht werden. Ein Hauptmagnet 503 dient
zur Erzeugung des statischen Hauptmagnetfeldes. Zur Ortsbestimmung
werden zeitlich und örtlich variable Magnetfelder mittels der
Gradientenspulen 504 erzeugt. Diese werden durch Gradientensignale 511 angesteuert.
Das hochfrequente Feld zur Anregung der Kernspinresonanzen wird
mit Hilfe des Sendesignals 510 durch die Sendespulen 505 in
das zu untersuchende Objekt eingespeist. Die Erfassung der Messsignale 512 erfolgt
mittels der Empfangsspulen 506. Wahlweise können
Sendespulen und Empfangspulen räumlich miteinander kombiniert
sein. Ebenso kann die dieselbe Spulenanordnung zuerst zur Signalaussendung und
später zum Signalempfang verwendet werden. Die Empfangspulen 506 können
auch im äußeren Bereich der Sendespulen 505 angeordnet
sein. Ebenso können auch die Sendespulen 505 in
der Nähe des zu untersuchenden Objekts, ähnlich
wie die hier dargestellten Empfangspulen 506 angeordnet
sein.
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- 10
- Spule
- 11
- Resonanzkondensator
- 12
- Erste
Leitung
- 16
- Kondensator
- 13
- Balun
- 14
- Zweite
Leitung
- 15
- Verstärker
- 16
- Parallelkapazität
- 20
- Koaxialleitung
- 21
- Schirmgehäuse
- 22
- Eingang
des Balun
- 23
- Ausgang
des Balun
- 24
- Kontakt
zum Schirmgehäuse
- 25
- Kippwinkel
- 26
- Innenleiter
- 27
- Aussenleiter
- 30
- Erster
Befestigungsblock
- 31
- Zweiter
Befestigungsblock
- 32
- Stellschraube
- 33
- Verbindungssteg
- 500
- Patientenliege
- 501
- Magnetsystem
- 502
- Patient
- 503
- Hauptmagnet
- 504
- Gradientenspulen
- 505
- Sendespulen
- 506
- Empfangsspulen
- 510
- Sendesignal
- 511
- Gradientensignal
- 512
- Messsignal
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5371466 [0004, 0004]